열역학 관련 생각. 1

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열역학 관련 생각. 1

1. In 1998, owing to a mix-up over units, the NASA Mars Climate Orbiter veered off-course and was lost. What was the mix-up?

미국에서 주로 사용하는 길이 단위인 Inch(인치)와 SI단위인 cm(센티미터)를 혼용하여 사용하다가 벌어진 일이다. 우주선 제작사는 미터법을 쓴 반면 조종팀은 인치를 적용해 계산착오가 생겨 예상보다 낮은 궤도로 비행해 화성 대기권에 충돌한 것이다.^[각주:1] 

2. Operating rooms in hospitals typically have a positive pressure relative to adjacent spaces. What does this mean

and why is it done? 병원의 수술실은 다른 곳에 비해 양압(positive pressure)인데, 그 이유는 무엇인가?

수술실은 멸균 상태로 유지되어야 하기 때문에, 다른 곳에 비해 내부 압력을 높게 하여 외부공기가 수술실 안으로 들어게 하기 위함이다. 

반대로, 화장실이나 조리실같은 경우에는 다른 곳에 비해 음압(negative pressure)를 유지하게끔 한다. 그 이유는 화장실이나 조리실의 냄새가 밖으로 빠져나가지 않도록 하기 위함이다.  

3. The driver’s compartment of race cars can reach 60°C during a race. Why?

4. You may have used the mass unit slug in previous engineering or physics courses. What is the relation between the slug and pound mass? Is the slug a convenient mass unit?

미국에는 slug라는 단위가 통용되는 가보다. 

5. Based on the macroscopic view, a quantity of air at 100 kPa, 20°C is in equilibrium. Yet the atoms and molecules of the air are in constant motion. How do you reconcile this apparent contradiction?

분자나 원자가 개별적으로 이동하여도, equilibrium 상태라고 하였기 때문에 Control volume으로 설정한 공간 내부에서는 분자나 원자의 수가 일정하다고 볼 수 있다.  

6. Laura takes an elevator from the tenth floor of her office building to the lobby. Should she expect the air pressure on

the two levels to differ much?

p = 101325 (1 - 2.25577 10^-5 h)^5.25588             (1)

where

p = air pressure (Pa)

h = altitude above sea level (m)

라우라(Laura)가 10층의 기압과 1층의 기압을 구별할 수 있을까? 

한 층당 2.5m라고 하면 10층까지는 25m

해수면 기준 고도가 25m 상승하면 약 300 Pa가 내려간다. 이 정도면, 사람이 느끼기에는 작은 기압차라고 생각된다. 

(사람이 얼마의 기압차이가 발생해야 느낄 수 있는지, 명확한 수치는 조사해 봐야할 것 같다.) 

사람이 기압 차이를 민감하게 느끼는 기관은 귀와 폐이다. 

귀는 외이와 중이, 내이로 나누어 볼 수 있다. 외이는 소리를 모와주는 역할을 하며 중이는 유스타키오관이라는 공기주머니가 있어 외부의 소리가 진동하는 공기압력을 받아 고막을 떨리게 하는 역할을 한다. 고막은 외이와 중이 사이에 있다. 평소에는 외이와 중이의 압력이 1기압으로 유지되지만, 외부 기압차가 발생하면, 고막이 압력을 받게 되면서 비틀어지게 된다. 

고막이 정상적으로 떨려야 소리가 잘 들리는데, 고막이 압력을 받아 한쪽으로 쏠려있어 정상적으로 떨지 못하기 때문에 소리가 잘 들리지 않게 된다. 

7. How do dermatologists remove pre-cancerous skin blemishes cryosurgically ?

8. When one walks barefoot from a carpet onto a ceramic tile floor, the tiles feel colder than the carpet even though each surface is at the same temperature. Explain.

카페트와 세라믹 타일의 열전도율(Thermal conductivity)차이 때문이다. 

각 재질의 정확한 열전도율은 조사해 봐야겠지만, 언뜻 든 생각은 

카페트 경우, 섬유의 열전도율도 낮고 공기를 품고 있기 때문에 열전달이 잘 일어나지 않는다. 

반면 세라믹 타일의 경우, 열전도율이 높아 접촉하고 있는 신체의 열을 빠르게 다른 타일로 전달하여, 접촉하고 있는 신체의 온도가 빠르게 내려가게 된다. 따라서 세라믹 타일이 차갑다고 느끼는 것이다. 

  

9. Air at 1 atm, 70°F in a closed tank adheres to the continuum hypothesis. Yet when sufficient air has been drawn from the tank, the hypothesis no longer applies to the remaining air. Why?

연속체 가설(continuum hypothesis)가 뭐지?

10. Are the systolic and diastolic pressures reported in blood pressure measurements absolute, gage, or vacuum pressures?

혈압측정기에서 주로 사용하는 단위는 mmHg이다. 이 혈압을 측정할 때 예전부터 수은계로 측정하였기 때문에 mmHg를 주로 사용하는 것 같다. 이 수은계의 압력수치는 게이지압(gauge pressure)을 나타낸다. 

흔히 120/80하면 고압이 120 mmHg, 저압이 80mmHg이다. 심장이 수축(systolic)시 혈관은 고압이 되고, 심장이 이완(diastolic)되면 혈관은 저압이 된다. 

11. When the instrument panel of a car provides the outside air temperature, where is the temperature sensor located?

차량의 제일 앞쪽(라디에이터 그릴 뒷쪽)에 온도 센서가 있어, 주행중 차량 전면부로 들어오는 공기의 온도를 측정하게 된다. 따라서 엔진의 온도를 거의 받지 않게 된다.

12. How does a pressure measurement of 14.7 psig differ from a pressure measurement of 14.7 psia?

^[각주:2]

psi는 압력단위 중 하나이다. 제곱 인치 당 파운드(pounds-per-square-inch)로 1 psi는 약 6894.757 Pa이다.

psia는 psi absolute으로 절대압 개념이고, pisg는 psi gauge로 게이지압 개념이다. 대기압이 14.7 psia, 0 psig 이다.

따라서, 14.7 psia와 14.7 psig의 압력차이는 14.7 psi가 된다.

 

13. What is a nanotube ?

^{[각주:3][각주:4]}

나노튜브. 

보통 탄소로 제작하기 때문에 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)라고 일컫는다. 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 매우 특이하여 다양한 구조 물질의 첨가제로도 응용된다. 

1985년 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인 풀러렌(탄소 원자 60개 모여, 축구공 모양)을 처음 발견한 후, 

1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오 박사가 전기방전 시 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하였다. 

나노튜브의 화학 결함은 탄소 원자 하나는 주위의 다른 탄소 원자 3개와 sp2 결합하여, 육각형 벌집 무늬를 형성한다. 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nm, nanometer)정도로 극히 작기 때문에, 나노튜브라고 부르게 되었다.  

KIST의 이재갑 박사가 CNT가 매끈한 원통형이 아닌 나선형 구조임을 밝혀냈다.  

CNT가 원통형이라면, 높은 전기 전도성과 우수한 강도를 가져야 했다. 왜냐하면 모든 탄소 원자가 sp2 혼성 오비탈을 가지므로 단일 결합을 할 때보다 결합 차수가 높아 단단하고, 비편재화 오비탈(delocalized orbital)이 생기므로 전자가 탄소나노튜브 위를 자유롭게 이동할 수 있다고 생각했기 때문이다. 하지만, 탄소나노튜브는 강도가 약하고 반도체적인 성질을 띠지 않았다. 그 이유가 그동안 원통형이라 생각했던 CNT가 나선형이었기 때문이었다. 기대했던 것 처럼, 고강도 소재나 반도체 소재로 활용하기 어렵겠지만, CNT는 주위 환경을 적절하게 조절하면 반지름과 길이가 달라지는 것을 이용해 신축성 소재로 활용할 수 있다. 

14. If a system is at steady state, does this mean intensive properties are uniform with position throughout the system

or constant with time? Both uniform with position and constant with time? Explain.

시스템이 정상상태(steady state)라고 하면, 시간에 따라 상태량이 변화하지 않음을 뜻한다. 하지만 시스탬 내부 모든 곳의 상태량이 같은 것을 뜻하는 것은 아니다. 1지점의 상태량이 A이고 2지점의 상태량이 B라면, 시간이 지나도 1지점의 상태량은 A이고 2지점의 상태량은 B인 것을 정상상태라고 한다. 

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2015. 11. 14 작성

1. http://www.science.go.kr/boardRead.bs?dataSid=3536&boardId=SCI_THEMELIFE [본문으로]
2. http://www.setra.com/blog/the-difference-between-psi-psia-psig/2015/03/12 [본문으로]
3. https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%84%EC%86%8C_%EB%82%98%EB%85%B8%ED%8A%9C%EB%B8%8C#/media/File:Kohlenstoffnanoroehre_Animation.gif [본문으로]
4. http://m.kist.re.kr:8080/kist_mobile/?sub_num=686&state=view&idx=482&ord=0 [본문으로]